1、,电磁场与电磁波,一、电磁场理论的主要研究领域 二、磁场理论发展简史 三、电磁场理论的主要研究对象 四、学习的目的、方法及其要求 五、参考书,绪 论,一、电磁场理论的主要研究领域,作为理论物理学的一个重 要研究分支，主要致力于 统一场理论和微观量子电 动力学的研究。,电磁 场的 主要 研究 领域,作为无线电技术的理 论基础，集中于三大 类应用问题的研究。,三大类应用问题： 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、交
2、换、传输、储存、处理、再现和综合利用。 电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获取与重建、探测新技术等。,二、磁场理论发展简史,1电磁场理论的早期研究 电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最 大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与磁的联系。但是由于这些研究（特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。,2电磁场理论的建立18世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是 有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇 宙的活力，是宇宙的灵
3、魂；电、磁、光、热 是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研究 电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力 作用于磁针。,安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通 过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立 了若干数学公式。法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相 互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针 后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用， 磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁 生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入导体线圈 时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存 在着密切的联系。,麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，
4、发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在此基础上提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。,3电磁场理论的应用和发展1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。,无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1
5、896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利 用电磁波时期。有线电话 1876年,美国A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明 的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来。,广播 1906年，美国费森登用50千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上 的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发 语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年 ，在
6、美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。电视 1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设 想，1927年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西 洋中的船上。兹沃霄金在1923和1924年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上 第一个全电子电视系统。,雷达（Radio Detection and Ranging） 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。 英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警 戒飞机的装置。1936年，英国的瓦特设计的警 戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德 国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指 挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔
7、磁 控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944 年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945 年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术 的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大 战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。,卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔” 卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964 年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非 三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定 点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和 印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站 已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地 区的通信网接通。卫星通信经历1
8、0年的发展，终趋 于成熟。,电磁场与波的应用,静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。,电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。,当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。,矿物的分选,1 矿物的分选,静电偏转原理也被应用于矿业来分选带异种电荷的矿物。例如，在一台矿砂分选器中，磷酸盐矿砂包含有磷酸盐岩石和石英。将其送入振动的进料器中，如图所示。振动使得磷酸盐岩石微粒与石英颗粒发生摩擦。在摩擦过程中，石英颗粒得到正电荷，而磷酸盐颗粒得到负电荷。带异种
9、电荷的微粒的分选由平行板电容器中的电场来完成。,2 磁悬浮列车,磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。,由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：,一种是 利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，便车体悬浮动物运行的铁路；,另一种则是利用磁
10、铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015毫米的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。,磁悬浮列车与当今的高速列车相比，具有许多无可比拟的优点：由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，时速高达几百公里； 磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一； 噪音小，当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪
11、声只有656分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小； 由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。,世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车,西南交通大学应用超导研究所研制,磁 场 力 的 应 用,电 磁 波 极 化 特 性 的 应 用,3立 体 电 影,光波是横波，立体电影就是利用了光的偏振现象。 这要从人眼看物体说起。人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的
12、前后、远近，从而产生立体视觉。 立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映,使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机
13、映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。,4 隐形轰炸机,反 射 定 律 的 应 用,隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让我们看不见它，而是说它可以使雷达“看不到”它。 我们知道雷达会发出高频电磁波射到物体上。物体把这个电磁波向各个方向反射，当然也有一部分反射回发射点（雷达），在雷达处再设一个接收装置就可接收到回波。我们就是根据回波发现物体的。飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽量把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。这样飞机就不容易被雷达探测到，但是并不是说这种飞机对于雷达就是不可见的。如果把飞机的外
14、表面制成由一些平面组成，则这些平面反射电磁波就不是四面八方的了，而是像平面镜反射光线一样只朝着有限的几个方向反射，这样就不见得有反射波被雷达接收到，从而达到了不被雷达发现的目的。,5卫星通信,卫星通信是二战之后发展起来的一种先进的无线通信技术。其基本原理如下。卫星通信就是地球上来（包括地球、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星做中继站而进行的通信。通信地球站可以是地面站、车载站、机载站，各种通信站的天线均指向卫星。 地球站的天线要始终对准卫星才能利用卫星进行通信，所以我们通常使用静止卫星，也即同步卫星。人们发现当卫星处在距地面35600公里左右时，周期T=24小时，即卫星绕地球一圈
15、时间与地球自转一圈的时间一致。那么一天24小时天线都不会偏离卫星，而且天线和卫星之间的距离也不会改变。,卫星通信的频率卫星通信工作在微波频段，也可以说卫星通信是微波接力通信的一种特殊形式。微波是指波长1米到1毫米之间的无线电波（频率范围300MHZ300THZ）。由于无线电波穿越大气层的传播特点，卫星通信的工作频段只占微波频段的一小部分。目前商用通信的工作频段主要在C波段的KU、KA波段。波段越高技术上越难实现。,卫星定位技术 1957年卫星发射成功后，人们试图将 雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近 地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研 究实施这一计划，于1964年研究成
16、功子午仪卫星导 航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用 系统新方案，即GPS计划。它是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21 颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。,6 卫星定位,全 球 定 位 系 统Global Positioning System(GPS),以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特别
17、是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科，它是当今电磁学的重要分支。,三、电磁场理论的主要研究对象电磁场的基本属性及其运动规律波与物质的相互作用及信息的提取电磁场系统的计算方法，仿真技术工程技术应用中的电磁场理论问题,四、学习的目的、方法及其要求掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理 训练分析问题、归纳问题的科学方法 培养用数学解决实际问题的能力 独立完成作业 精读一至二本教学参考书,五、主要参考书【1】 J. D. Kraus，Electromagnetism withApplication（Fifth Edition） 【2】谢处方，电磁场与电磁波，高等教育出版社 【3】冯慈璋，电磁场，高等教育出版社 【4】王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社 【5】毕德显，电磁场理论，电子工业出版社 【6】倪光正，工程电磁场原理，高等教育出版社,
